삼투압 조절 단백질이 암, 노화도 억제 한다!
세포 삼투압을 조절하는 단백질이 암이나 노화를 억제하는 데도 관여한다는 사실이 밝혀졌다. 이 단백질은 유전체(DNA)의 이상 구조를 제거해 유전체의 안정성을 유지 시켜준다. 이번 발견은 유전체 불안정성 때문에 발생하는 암이나 노화 현상을 해결할 치료제 개발에 도움이 될 전망이다.
UNIST 권혁무·이자일·명경재(IBS 유전체항상성 연구단 단장) 교수팀은 ‘TonEBP’ (톤이비피) 단백질이 R-루프(R-loop)를 제거하는 데 관여한다는 사실을 밝혔다. R-루프는 전사 (Transcription)과정에서 DNA 이중나선 구조가 일시적으로 벌어지면서 생기는 고리모양 구조체다. R-루프가 제때 없어지지 않고 축적되면 DNA 복제에 이상이 생기고 암이나 노화 현상이 촉진되는 것으로 알려져 있다.
연구 결과에 따르면 TonEBP 단백질은 R-루프를 인지한 후, RNA 제거 효소를 R-루프 쪽으로 끌어오는 과정을 활성화한다. R-루프는 벌어진 한 쌍의 DNA 가닥 중 한 가닥 위에 전사를 통해 합성된 RNA가 붙여진 구조다. 따라서 이 RNA 가닥이 제거되면, DNA 가닥이 평상시의 안정한 이중나선 구조(실 두 개가 꼬여 있는 형태)로 봉합된다.
연구팀은 세포를 관찰하던 중 R-루프가 생성된 곳에 TonEBP 단백질이 공존한다는 것을 발견하고 이 둘 간의 상관관계를 살피는 연구를 시작했다. TonEBP 단백질은 세포의 삼투압을 조절하는 것으로 알려진 단백질이지만, 최근 이 단백질 이상이 당뇨성 신장병이나 간암, 면역 대사 질환을 유발하는 것으로도 밝혀졌다.
이번 연구로 TonEBP 단백질이 RNA 제거를 촉진하는 구체적 과정이 규명됐다. 먼저 TonEBP 단백질은 DNA에 형성된 R-루프를 인식하여 찾는다. 그리고 RNA의 메틸화를 돕는 효소인 METTL3(엠이티티엘쓰리)와 결합해 메틸화 반응을 촉진시킨다. 메틸화 반응은 RNA의 특정 부위에 메틸 작용기(CH3)가 붙는 과정이다. 이 반응은 RNA 제거 효소를 R-루프로 유인한다.
연구진은 TonEBP 단백질이 R-루프를 찾아가는 방식도 밝혔다. TonEBP 단백질은 R-루프에 바로 결합하거나 DNA 가닥 위를 타고 이동하다가 R-루프를 인식하는 두 가지 방식 모두를 이용해 30억 개의 염기쌍으로 구성된 사람의 DNA에서 R-루프를 빠르게 발견한다. 이 분석을 위해 DNA 위를 이동하는 단백질의 움직임을 실시간으로 볼 수 있는 특수기법(DNA 커튼 기법)이 사용됐다.
연구 결과는 ‘뉴클레익 에시즈 리서치(Nucleic Acids Research) 에 12월 11일 자로 온라인 게재됐다. 연구 수행은 한국연구재단, 기초과학연구원(IBS), 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
(논문명: TonEBP recognizes R-loops and initiates m6A RNA methylation for R-loop resolution, academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkaa1162/6031430)
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
모든 생명 활동은 DNA에 포함된 유전자가 RNA를 거쳐 단백질로 발현됨으로써 이루어진다. 이 과정에서 일시적으로 이중나선 DNA가 열리고, RNA가 DNA와 결합하는 구조가 형성되는데, 이를 R-loop1)이라고 한다. R-loop은 유전자 발현 조절, 면역 반응, DNA 복제 과정 등에서 중요한 역할을 하는데, 비정상적으로 형성되어 제거되지 못하고 축적되면, DNA 복제체(DNA 복제에 관여하는 단백질 복합체)와 충돌하여 복제를 멈추는 등 DNA 복제 스트레스2)와 유전체 불안정성을 야기한다. 이러한 유전체의 불안정성은 암과 같은 심각한 질병을 일으키며 노화를 촉진 시킨다. 본 연구에서는 이러한 R-loop이 어떻게 인식되고, 어떠한 과정을 통해서 제거되어 유전체의 안정성을 유지하는가를 밝혔다.
2. 연구내용
연구팀은 세포의 삼투압을 조절한다고 알려진 전사인자 단백질인 TonEBP3)가 유전체 이상구조인 R-loop을 인식하고, RNA 제거 효소들을 R-loop으로 유인해 비정상적으로 형성된 R-loop들의 축적 막아 유전체의 안정성을 유지한다는 것을 규명하였다. 이 단백질은 METTL3(메틸화4) 효소)와의 상호작용으로 R-loop을 형성하는 RNA의 메틸화(m6A RNA methylation)를 증가시켜 R-loop 제거를 유도하는 것으로 나타났다.
세포형광이미징 기법을 사용하여, 세포 내에서 R-loop이 형성된 곳에 TonEBP 단백질이 공존하는 것을 관찰함으로써, TonEBP와 R-loop의 연관성을 먼저 확인했다. siRNA5)(특정 단백질의 발현을 막는 RNA)를 사용하여 세포 내 TonEBP 단백질의 양을 낮추었을 때, R-loop 양이 증가했다. 이는 TonEBP가 R-loop 해소에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.
R-loop RNA에 메틸화가 진행되면서 R-loop 해소가 이뤄지는 것을 밝혔으며, 이 과정에 TonEBP가 RNA 메틸화 인자로 작용한다는 사실을 입증하였다. 보다 자세한 기작 연구를 위하여 면역정제-질량분석6)을 진행하였으며, 이를 통해TonEBP가 RNA 메틸화효소인 METTL3와 결합하여 RNA 제거 효소(RNaseH1)를 R-loop으로 유도하는 것을 확인하였다. 나아가 TonEBP 단백질과 METTL3 단백질의 상호결합이 저해되었을 때, RNaseH1이 R-loop으로의 모집되는 현상이 줄어드는 것을 관찰하였다. 결론적으로 이는 TonEBP 단백질이 METTL3 단백질과의 상호결합을 통해 R-loop의 축적 및 유전자 불안정성을 해소시킨다는 보여준다.
한편, TonEBP가 R-loop을 어떻게 감지하는가를 조사하기 위해서 단분자 이미징 기법인 DNA 커튼 기법7)을 사용했다. 이를 통해 R-loop이 형성된 DNA 위에서 정제된 TonEBP가 어떻게 움직이는가를 확인했다. TonEBP는 바로 R-loop에 결합하거나 DNA 먼저 결합한 후에 확산을 통해서 움직이다가 R-loop을 발견하는 두 가지 방식을 모두 취하였으며, 이를 통해서 R-loop을 빠르게 발견하였다.
3. 기대효과
이번 연구 결과를 토대로 TonEBP 단백질이 유전체 내에 형성된 R-loop들을 인지한 후, METTL3와의 상호작용으로 RNA 메틸화를 야기함으로써, R-loop 축적으로 인한 유전체 불안정성을 줄인다는 새로운 사실을 밝혔다. R-loop의 경우 암 발생 및 노화 기전(텔로미어-Telomere) 조절에 관여되기 때문에 항암 및 항노화 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다.
생명과학 UNIST (2020-12-22)
https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=325727